植物残体对土壤碳稳定性和氮素有效性的影响：一种权衡以及一些适应性强的物种

《Journal of Ecology》：Plant litter effects on soil carbon stabilization and nitrogen availability: A trade-off and some versatile species

碳氮耦合驱动生态系统功能平衡研究。通过分析24种叶根残体分解动态，发现根残体（高 lignin、低N）更促进土壤稳定碳（MAOM），贡献量达33%；叶残体（高N）则显著提升土壤溶液氮（87%）。这种互补性源于叶根残体生物化学差异，其分解轨迹（C:N比值从低到高）揭示了碳稳定与氮有效性间的动态权衡，为全球变化下生态系统管理提供新视角。

　　

摘要

1. 在全球范围内，生物体的限制性化学计量关系负责将碳（C）和氮（N）元素在活的有机物质中耦合起来，并对死亡的有机物质产生后续影响。长期以来，人们认为这种耦合关系促进了生态系统多种关键功能之间的权衡，例如土壤肥力和碳封存。然而，尽管有证据表明生态系统中的碳和氮循环存在普遍的耦合现象，但在多种生物和非生物因素的影响下，这些循环在时间和空间上也会出现差异。
2. 本文重点关注植物残体在调控土壤中碳和氮循环中的作用，研究了24种具有不同化学成分的叶层和根系残体如何不同程度地影响含有不同碳氮比化合物向土壤中的释放过程，以及碳和氮元素最终是以稳定的形式（与矿物质结合的有机物质，MAOM）、更易被生物利用的有机形式（颗粒有机物质，POM）还是矿物质形式（如CO?、NO??、NH??）存在。
3. 在分解过程中释放的化合物的碳氮比存在显著差异，早期阶段碳氮比较低，而后期阶段则非常高。我们观察到残体在提高土壤氮有效性（即土壤溶液中的氮含量）与稳定土壤碳含量（即MAOM中的碳含量）方面存在权衡。分解速度较慢的残体（含有高木质素和低氮浓度，渗滤液中的碳含量较低）更倾向于稳定土壤中的碳含量，而非提高氮的有效性。每克分解的残体中，根系向土壤中的MAOM部分贡献了多33%的碳，而叶片则向土壤溶液中贡献了多87%的氮。这种差异主要由叶层和根系残体之间的生化差异所驱动（解释了44%的变异）。
4. 总结：这些结果表明，叶层和根系残体在稳定土壤碳含量和提高氮有效性方面具有高度互补性。因此，影响地上和地下残体产生及周转的全球变化可能会对这些功能之间的平衡产生连锁效应。我们的研究结果还揭示了土壤碳稳定性和氮有效性之间权衡的显著差异，表明从“表现不佳的物种”到“多功能物种”存在连续性，后者能在这两个功能上发挥更大作用。这为选择能够积极影响多种农业生态系统功能的多功能物种提供了新的视角。

利益冲突声明

Grégoire T. Freschet是《生态学杂志》（Journal of Ecology）的副主编，但未参与本文的同行评审和决策过程。

同行评审

本文的同行评审记录可在以下链接查看：https://www.webofscience.com/api/gateway/wos/peer-review/10.1111/1365-2745.70205。

数据可用性声明

本研究使用的数据来自三个来源：本文的表S1和S2，以及两个Dryad数字存储库：https://doi.org/10.5061/dryad.m63xsj45g（Huys等人，2022b）和https://doi.org/10.5061/dryad.msbcc2g89（Wambsganss等人，2025b）。